Lezione 3: Architettura del calcolatore

Lezione 3:
Architettura del
calcolatore
Architettura di Von Neumann
BUS, CPU e Memoria centrale
Ciclo di esecuzione delle istruzioni
Introduzione all'Informatica - corso E
Architettura del calcolatore
Introduzione all'Informatica - corso E
Il calcolatore è:
„
uno strumento programmabile per rappresentare,
memorizzare ed elaborare informazioni
„
un sistema, costituito da molte componenti
Studiare l’architettura di un sistema significa:
„
individuare ciascun componente del sistema
„
comprendere i principi generali di funzionamento
di ciascun componente
„
comprendere come le varie componenti
interagiscono
2
Introduzione all'Informatica - corso E
Architettura del calcolatore
La prima decomposizione di un calcolatore è
relativa a due macro-componenti:
„
Hardware
„
Software
3
Hardware: architettura
Introduzione all'Informatica - corso E
L’architettura dell’hardware di un calcolatore reale è molto
complessa
La macchina di Von Neumann è un modello semplificato dei
calcolatori moderni
„
Von Neumann progettò, verso il 1945, il primo calcolatore con
programmi memorizzabili anziché codificati mediante cavi e
interruttori
4
Macchina di Von Neumann
Introduzione all'Informatica - corso E
La macchina di Von Neumann è composta da 4 tipi di componenti funzionali:
unità centrale di elaborazione
(CPU – Central Processing Unit)
„ esegue istruzioni per l’elaborazione
dei dati
„ svolge anche funzioni di controllo
memoria centrale
„ memorizza e fornisce l’accesso a
dati e programmi in esecuzione
interfacce di ingresso e uscita
„ componenti di collegamento con
le periferiche del calcolatore
bus
„ svolge funzioni di trasferimento
di dati e di informazioni di controllo
tra le varie componenti funzionali
5
Macchina di Von Neumann
Introduzione all'Informatica - corso E
Ogni componente è specializzata nello svolgimento di una tipologia
omogenea di funzionalità:
Eccezione: l’unità centrale di elaborazione svolge sia funzionalità di elaborazione
sia di controllo
6
Introduzione all'Informatica - corso E
Trasferimento
Obiettivo: permettere lo scambio di informazioni tra le varie
componenti funzionali del calcolatore
„
trasferimento dei dati e delle informazioni di controllo
Due possibili soluzioni
„
collegare ciascun componente con ogni altro componente
„
collegare tutti i componenti a un unico canale (bus)
L’utilizzo di un bus favorisce la modularità e l’espandibilità del
calcolatore
7
Introduzione all'Informatica - corso E
Periferiche e interfacce di
ingresso-uscita (I/O)
Un calcolatore può essere collegato a vari dispositivi di ingresso
e/o uscita (periferiche)
„
esempi: tastiera, mouse, schermo, stampanti, modem
„
anche le memorie di massa (es., unità disco e lettore di CDROM) sono considerate periferiche
Nella macchina di Von Neumann, le periferiche non fanno parte
del calcolatore
„
ogni periferica è controllata con un’opportuna interfaccia
„
una interfaccia ha il compito di tradurre i segnali interni del
calcolatore in un formato comprensibile alla periferica stessa,
e viceversa
8
Memorizzazione
Introduzione all'Informatica - corso E
Un calcolatore memorizza
„
i dati, che rappresentano informazioni di interesse
„
i programmi per l’elaborazione dei dati
Unità responsabile della memorizzazione: memoria
„
una unità di memoria è organizzata in celle
„
a ciascuna cella è associato un indirizzo, che la identifica
„
ciascuna cella è in grado di memorizzare un singolo dato
o una singola istruzione
Un’unità di memoria fornisce due sole operazioni
„
memorizzazione di un valore in una cella (scrittura)
„
accesso al valore memorizzato in una cella (lettura)
9
Introduzione all'Informatica - corso E
CPU
L’unità centrale di elaborazione (CPU) o processore presiede
all’esecuzione di un programma
„
il programma è memorizzato in memoria centrale come
sequenza di istruzioni del linguaggio macchina
„
Linguaggio macchina o assembly è il linguaggio per cui la
CPU si comporta da esecutore
La CPU è composta da
„
unità di controllo
„
unità aritmetico-logica
10
Introduzione all'Informatica - corso E
Controllo
Il coordinamento tra le varie parti del calcolatore è svolto
dall’unità di controllo
„
è un componente dell’unità centrale di elaborazione
„
ogni componente del calcolatore esegue solo le azioni che gli
vengono richieste dall’unità di controllo
il controllo consiste nel coordinamento dell’esecuzione temporale
delle operazioni
„
sia internamente all’unità di elaborazione sia negli altri
elementi funzionali
„
il controllo avviene in modo sincrono rispetto alla scansione
temporale imposta dall’orologio di sistema (clock)
11
Introduzione all'Informatica - corso E
Elaborazione
L’elaborazione è svolta dall’unità aritmetico-logica, che è un
componente dell’unità centrale di elaborazione
Le istruzioni del linguaggio macchina corrispondono ad operazioni
elementari di elaborazione
„ operazioni aritmetiche
„ operazioni relazionali (confronto tra dati)
„ operazioni su caratteri e valori di verità
„ altre operazioni numeriche
Un calcolatore sa svolgere poche tipologie di operazioni elementari
ma in modo molto efficiente
„ un calcolatore può eseguire decine o centinaia di milioni di
istruzioni del linguaggio macchina al secondo
12
Componenti e
funzionamento del
calcolatore
BUS di sistema
Introduzione all'Informatica - corso E
Caratteristiche del collegamento a BUS
Semplicità
Introduzione all'Informatica - corso E
„
un’unica linea di connessione Æ costi ridotti di produzione
Estendibilità
„
aggiunta di nuovi dispositivi molto semplice
Standardizzabilità
„
regole per la comunicazione da parte di dispositivi diversi
Lentezza
„
utilizzo in mutua esclusione del bus
Limitatà capacità
„
al crescere del numero di dispositivi collegati
Sovraccarico del processore (CPU)
„
perchè funge da master sul controllo del bus
14
Bus di sistema
Interconnette le componenti interne del calcolatore
Introduzione all'Informatica - corso E
„
CPU, memoria ed interfacce a periferiche (I/O, memoria
di massa, ...)
Collega due unità funzionali alla volta
„
una trasmette e l’altra riceve
Funzionamento master/slave
„
la CPU (master) seleziona la connessione da attivare e
ordina il trasferimento dei dati
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Bus di sistema
Introduzione all'Informatica - corso E
Il bus trasporta dati, indirizzi e comandi
Componenti del bus (sottogruppi di linee):
„
„
„
Bus dati (data bus)
Bus indirizzi (address bus)
Bus comandi (command bus)
Bus dati (data bus)
„
„
Serve per trasferire dati tra:
„ memoria centrale e registro dati (MDR) della CPU
„ periferiche e CPU (o memoria centrale)
Bidirezionale
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Bus di sistema
Bus indirizzi (address bus)
Introduzione all'Informatica - corso E
„
„
„
Serve per trasmettere il contenuto del registro indirizzi
(MAR) alla memoria (o a una periferica)
si seleziona una cella per successive operazioni di
lettura o scrittura
Unidirezionale
Bus comandi (command bus)
„
„
Serve per inviare comandi
„ verso la memoria (es: lettura o scrittura)
„ o verso una periferica (es.: stampa)
Unidirezionale
17
Componenti e
funzionamento del
calcolatore
CPU
Introduzione all'Informatica - corso E
Introduzione all'Informatica - corso E
Unità centrale di elaborazione
L’unità centrale di elaborazione è realizzata
fisicamente sotto forma di microprocessore
„
i microprocessori sono dispositivi elettronici molto
complessi
„
Es: un Pentium II è composto da oltre 7 milioni di
transistor in un singolo circuito integrato (chip)
L’unità centrale di elaborazione è costituita da
„
„
„
Unità di controllo
Unità Aritmetico-Logica
Registri
19
Introduzione all'Informatica - corso E
Struttura del microprocessore
20
Elementi di una CPU
Introduzione all'Informatica - corso E
CPU
Unità di
controllo
Unità
aritmetico
logica (ALU)
Registri
Unità di controllo
„
Svolge funzioni di controllo, decide quali istruzioni
eseguire.
Unità aritmetico–logica
„
esegue le operazioni aritmetico-logiche
(+,-,ecc. , confronto).
Registri
„
memoria ad alta velocità usata per risultati
temporanei e informazioni di controllo;
„
il valore massimo memorizzabile in un registro è
determinato dalle dimensioni del registro;
„
esistono registri di uso generico e registri specifici:
21
Introduzione all'Informatica - corso E
Registri
Esistono registri di uso generico e
registri specifici :
„
PC: contatore delle istruzioni (program counter)
„
„
IR: registro delle istruzioni (instruction register)
„
„
contiene l’indirizzo della prossima istruzione da
eseguire
contiene l’istruzione che deve essere eseguita
PSW: parola di stato del processore
„
contiene informazioni, opportunamente codificate,
sull’esito dell’ultima istruzione che è stata eseguita
22
Registri
„
MAR: registro indirizzi della memoria
Introduzione all'Informatica - corso E
„
„
MDR: registro dati della memoria
„
„
indirizzo della cella di memoria che deve essere
acceduta o memorizzata
dato che è stato acceduto o che deve essere
memorizzato
registri generali
„
per memorizzare gli operandi ed il risultato di una
operazione
23
Introduzione all'Informatica - corso E
Unità Aritmetico-Logica
L'Unità Aritmetico-Logica (ALU) è costituita da un
insieme di circuiti in grado di svolgere le operazioni di
tipo aritmetico e logico
La ALU legge i valori presenti in alcuni registri,
esegue le operazioni e memorizza il risultato in un
altro registro
24
Introduzione all'Informatica - corso E
Struttura del microprocessore
25
Introduzione all'Informatica - corso E
Ciclo di esecuzione delle istruzioni
La CPU esegue un’istruzione mediante le tre
seguenti operazioni di base:
„
Fetch (lettura)
„
Decode (decodifica)
„
Execute (esecuzione)
Un programma è eseguito applicando ad ogni
istruzione la sequenza fetch-decode-execute
„
ciclo di esecuzione dell’istruzione o ciclo macchina o
ciclo fetch-decode-execute
26
Ciclo fetch-decode-execute
1) FETCH:
Introduzione all'Informatica - corso E
„
„
si accede alla prossima istruzione, riferita dal registro
contatore dell’istruzione (PC)
si porta tale istruzione dalla memoria centrale al Registro
Istruzioni (IR)
27
Ciclo fetch-decode-execute
2) DECODE: decodifica dell’istruzione
Introduzione all'Informatica - corso E
„
„
si individua il tipo dell’operazione e gli operandi (dati) usati
si trasferiscono i dati nei registri opportuni
3) EXECUTE: esecuzione dell’istruzione
„
„
si incrementa il registro contatore dell’istruzione (PC)
ciascuna azione viene richiesta al componente opportuno
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Istruzioni del linguaggio macchina
Istruzioni per l’elaborazione dei dati
Introduzione all'Informatica - corso E
„
„
„
aritmetiche
logiche (AND, OR, NOT)
relazionali (maggiore, minore, uguale, ...)
Istruzioni per il controllo del flusso di esecuzione
„
„
„
„
sequenza
selezione
ciclo
salto (Jump) ad una data istruzione
Istruzioni per il trasferimento di informazioni
„
„
dati ed istruzioni fra CPU e memoria
dati fra CPU e dispositivi di I/O (tramite interfacce)
29
Introduzione all'Informatica - corso E
Clock
L’orologio interno (clock) del microprocessore emette
un segnale di sincronizzazione per tutto il sistema
„
si misura in cicli/secondo [Hz]
„
400 MHz = 400 x 106 Hz = 4 x 108 Hz
⇒ ciclo è eseguito in 2.5 x 10-9 s = 2.5ns
Ad ogni impulso di clock si esegue un ciclo macchina
„
la velocità di un microprocessore dipende dalla
frequenza del suo clock, ma non solo poiché
l’esecuzione di un’istruzione può richiedere più cicli
30
Caratteristiche dei microprocessori
Repertorio di istruzioni
Introduzione all'Informatica - corso E
„
L’insieme delle istruzioni che costituiscono il linguaggio
macchina del processore (CISC, RISC, C-RISC)
Frequenza di clock
Ampiezza del bus
„
numero di bit nel bus interno del processore
Co-processori
„
processori specializzati per operazioni complesse
„ (es: co-processore matematico)
Memoria cache
„
memoria veloce interna al processore, che consente di
accedere più velocemente ai dati da elaborare
31
Introduzione all'Informatica - corso E
Evoluzione dei microprocessori
32
Componenti e
funzionamento del
calcolatore
Memoria centrale
Introduzione all'Informatica - corso E
Introduzione all'Informatica - corso E
Memoria centrale
La memoria centrale (o principale) è la
componente in cui si immagazzinano e da cui
si accedono dati e programmi
È l’unico tipo di memoria che può essere
acceduto direttamente dal processore
„ è costituita da celle (o locazioni)
„ ogni cella può contenere una quantità fissata
di memoria (numero di bit), detta parola
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Memoria centrale
Introduzione all'Informatica - corso E
Ogni cella è caratterizzata da
„
indirizzo, un numero che identifica la cella e ne
consente l’accesso
„
valore, la sequenza di bit memorizzata in essa
La memoria fornisce le operazioni di:
„
lettura: consultazione del valore di una cella con
un dato indirizzo
„
scrittura: modifica del valore di una cella con un
dato indirizzo
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Memoria centrale
Introduzione all'Informatica - corso E
Le operazioni avvengono sotto
il controllo della CPU
„
La CPU seleziona una particolare cella di memoria
ponendone l’indirizzo nel Registro Indirizzi (MAR)
Se il Registro Indirizzi (MAR) è costituito da N bit, si
possono indirizzare 2N celle di memoria, da 0 a 2N –1
„
Nei PC attuali il MAR è almeno di 32 bit
Operazione di lettura:
„
copia nel Registro Dati (MDR) il contenuto della cella di
memoria indirizzata dal Registro Indirizzi (MAR)
Operazione di scrittura (store)
„
copia il contenuto del Registro Dati (MDR) nella cella di
memoria indirizzata dal Registro Indirizzi (MAR)
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Introduzione all'Informatica - corso E
Memoria centrale
Load
0
1
2
1
R2
cod. op.mem. Ind1/Reg1 Ind2/Reg2
...
istr. lettura (load)/scrittura (store) in memoriaregistri
add
R1
cod. op. reg. Reg1
R2
Reg2
istr. per operazione tra due registri
...
+ -2 00003752
k
numero rappr.con segno, esponente e
mantissa
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Esempio di esecuzione di un
programma in linguaggio macchina
Introduzione all'Informatica - corso E
Registri CPU
1000
Load
3568
R1
1001
Add
R1
R2
1002
Store
R1
3568
1003
Jump 1000
R1
R2 30
PC
3568
44
1000
IR
MAR
MDR
38
Esecuzione istruzione 1000:
fetch
Introduzione all'Informatica - corso E
Registri CPU
1000
Load
3568
R1
1001
Add
R1
R2
1002
Store
R1
3568
1003
Jump 1000
R1
R2 30
PC
3568
44
1000
IR
MAR
1000
MDR Load
3568
R1
39
Esecuzione istruzione 1000 (2):
fetch
Introduzione all'Informatica - corso E
Registri CPU
1000
Load
3568
R1
1001
Add
R1
R2
1002
Store
R1
3568
1003
Jump 1000
3568
44
R1
R2 30
PC
1000
IR
Load
MAR
1000
MDR Load
3568
R1
3568
R1
40
Esecuzione istruzione 1000 (3):
decode + execute
Introduzione all'Informatica - corso E
Registri CPU
1000
Load
1001
Add
1002
Store
R1
1003
Jump
1000
3568
3568
R1
R1
R2
44
R1
44
R2
30
3568
PC
1001
IR
Load
MAR
1000
MDR Load
3568
R1
3568
R1
41
Esecuzione istruzione 1001
Load
3568
R1
1001
Add
R1
R2
1002
Store
R1
3568
1003
Jump 1000
Introduzione all'Informatica - corso E
1000
R1
74
44
R1
74
R2
30
R2
30
NB.:
E’ stata attivata la ALU
3568
44
R1 = 44+30 = 74
42
Introduzione all'Informatica - corso E
Esecuzione istruzione 1002
1000
Load
3568
R1
1001
Add
R1
R2
1002
Store
R1
3568
1003
Jump 1000
3568
R1 74
R2 30
74
74
43
Introduzione all'Informatica - corso E
Esecuzione istruzione 1003
1000
Load
3568
R1
1001
Add
R1
R2
1002
Store
R1
3568
1003
Jump 1000
3568
R1
R2
74
30
74
44
Introduzione all'Informatica - corso E
Struttura semplificata della
memoria centrale
45
Memorie RAM e memorie ROM
Le memorie RAM (random access memory)
Introduzione all'Informatica - corso E
„
„
possono essere accedute sia in lettura che in scrittura
sono volatili
„
i dati memorizzati vengono persi allo spegnimento del
calcolatore
La memorie ROM (read only memory)
„
sono persistenti
„
„
mantengono il contenuto anche senza alimentazione
permettono solo la lettura dei dati (o programmi)
„
memorizzano alcuni programmi di sistema (firmware)
Evoluzioni delle memorie ROM:
„
„
PROM (scritte una sola volta)
EPROM (scritte più volte)
46
Memoria cache
Memoria “intermedia” fra registri e RAM
Introduzione all'Informatica - corso E
„
La RAM ha tempi di accesso molto alti rispetto alla
velocità dei microprocessori e ne ritarda l’elaborazione
Memorizza il contenuto di celle della RAM che
potrebbero essere acceduti nuovamente dalla CPU
„
sfrutta la località dei programmi (90%-10%)
Strategia di utilizzo:
„
„
la prima volta che la CPU carica dati dalla memoria
centrale, questi sono caricati anche sulla cache
le volte successive, i dati possono essere letti dalla
cache invece che dalla memoria centrale (più lenta)
Tipi di memoria cache:
„
„
cache di I° livello: contenuta nel microprocessore
cache di II° livello: aggiungibile successivamente
47